提取方式对土壤和植物水分提取率的影响及其氢氧同位素分析

氢氧同位素示踪技术是研究土壤-作物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要手段,而土壤水和作物水的提取方法是氢氧同位素研究最关键的一步。本文采用真空蒸馏和共沸蒸馏2种提取方法对不同含水量(35%、25%和15%)下的土壤(红粘土、红砂土和水稻土)和植物(橘树和水稻)茎叶的水分分别进行了提取,并对提取出的水分进行了氢氧稳定同位素的对比分析,旨在提出合适的提取方法。结果表明:真空蒸馏对土壤和植物水分提取率显著高于共沸蒸馏(P<0.001);土壤含水量和土壤类型对水分提取率影响不显著;而水稻水分提取率显著高于橘树(P<0.001),且叶的水分提取率显著高于茎(P<0.001)。真空蒸馏提取出土壤水分的δD和δ18O值与标准样的差异不显著,而共沸蒸馏下提取出土壤水分的δD与标准样差异显著(P<0.001),水稻叶和橘树叶的δD和δ18O值高于茎。研究表明,真空蒸馏比共沸蒸馏更适合土壤和植物水分的提取且其提取出的水分更能真实反映样品中氢氧同位素组成。     

提取方法对土壤水同位素和植物水源分割的影响

选取理化性质不同的两种土壤(壤土与砂土),通过烘干后加入已知同位素值的矿泉水作为参考水进行标记,组成不同质量含水量(壤土: 0.15、0.20、0.30 g·g^-1;砂土:0.10 g·g^-1)的土-水混合物,随后设置不同的平衡时间(壤土: 3、6、12、24、48、72、96 h;砂土:96 h),确保干燥的土壤颗粒与加入的水分达到很好的混合;采用机械离心和真空冷凝抽提法对平衡后的土壤进行水分提取,并分析其同位素组成.结果表明: 同一含水量、不同平衡时间,机械离心法提取的土壤水同位素组成没有显著差异,但均比参考水的同位素值富集,氢、氧同位素最大差异分别可达7.38‰和1.24‰;然而,真空冷凝抽提的土壤水同位素比参考水偏贫化,氢、氧同位素最大差异分别可达6.27‰和1.03‰,且在低含水量下,其同位素组成随平衡时间(24 h以内)的增加贫化程度不断增大,24 h以后趋于稳定.随土壤含水量增大,两种提取方式对土壤水同位素的影响程度减弱;黏粒含量高的壤土水同位素值比黏粒含量低的砂土更容易受提取方式的影响.通过举例分析发现,提取方式引起的同位素组成差异并不显著影响植物水源分割.     

激光同位素分析仪测定液态水的氢氧同位素及其光谱污染修正

氢氧稳定同位素示踪技术是研究土壤-作物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要手段。激光同位素分析仪以其独特的优点逐渐得到广泛应用,但其在测量植物水时,与同位素质谱仪的测量结果存在差异。本文采用Los Gatos Research公司生产的激光同位素分析仪DLT-100分别测定植物水、土壤水、雨水和地下水等共19个样品,并用其开发的光谱污染矫正软件标记和量化水样品的污染,修正污染水样品的同位素值,然后与同位素质谱仪进行比对。结果表明:土壤水、雨水和地下水等样品均未受到污染,而植物样品均受到一定程度的光谱干扰;植物水的δD和δ18O修正范围分别是1.21‰～26.65‰和0.50‰～18.27‰。该修正方法消除了δD测定的差异,并大大降低了δ18O的偏差。可见,激光同位素分析仪法在测量土壤水、雨水和地下水同位素时可以有效地代替传统的同位素质谱仪法,但对植物水的测量时,则首先需要判断样品是否受到光谱干扰,如果受到污染,仍需同位素质谱法进行确认。     

超声波协同复合酶法提取姬松茸多糖

研究了超声波协同复合酶法提取姬松茸多糖的最佳工艺条件。采用均匀设计法分别考察不同时间、pH值、温度、酶浓度、固液比对纤维素酶、果胶酶以及木瓜蛋白酶酶解反应的影响,并研究三种酶联合使用时的加酶方式以及超声波协同提取时的最佳条件。结果表明,超声波协同复合酶法可显著提高姬松茸多糖的提取率,其最佳提取条件为：超声波作用20min,分步加酶法（先加果胶酶：pH值3．8、温度50℃、时间90min、加酶量7000U／g、固液比1：45;然后加纤维素酶：pH值3．6、温度75℃、时间120min、加酶量150U／g、固液比1：45;最后加木瓜蛋白酶：pH值3．6、温度75℃、时间120min、加酶量20000U／g、固液比1：45）,多糖提取率达到14．51％。     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

水同位素分析与生态系统过程示踪:技术、应用以及未来挑战

水分是生态系统的重要因子,水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法,利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征,通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况,可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究,是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史,在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理,概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及~(17)O-excess的研究进展,并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后,指出了水同位素研究亟待解决的问题,展望了水同位素应用的前沿方向,旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

两种苹果砧木根系水力结构及其PV曲线水分参数对干旱胁迫的响应

研究干旱胁迫对平邑甜茶(Malus hupehensis)和楸子(Malus prunifolia)根系水力结构及其PV曲线水分参数的影响.设定正常与干旱2种水分处理,对2种苹果砧木进行氯化汞-巯基乙醇处理和压力室-容积(PV)曲线测定试验,并利用高压流速仪(HPFM),测定平邑甜茶和楸子根系水力结构.结果表明:随着水分胁迫的加重,平邑甜茶和楸子的根系导水率、根系叶比导水率、根系茎比导水率出现减少趋势.在适宜水分和重度干旱条件下,平邑甜茶根系叶比导水率分别为楸子根系叶比导水率的95％和92％,平邑甜茶根系茎比导水率分别为楸子根系茎比导水率的52％和62％,楸子与平邑甜茶相比在根系茎比导水率和根系叶比导水率上出现增加趋势.干旱胁迫可能会导致水通道蛋白的活性受到抑制,致使其根系导水率出现降低,继而导致了地上部分气体交换受到影响.严重干旱时,楸子与平邑甜茶相比可能具有更大的水孔蛋白表达量来抵御干旱胁迫.在2种水分条件下,楸子的初始质壁分离时的渗透势(ψstlp)、饱和含水时的渗透势(Ψssal)、初始质壁分离时的相对水含量(RWCtlp)、初始质壁分离时的相对渗透水含量(ROWCtlp)、组织细胞总体弹性模量(ε')值与平邑甜茶相比较均处于较低水平,束缚水含量(Va)值处在较高水平.对PV曲线水分参数进行隶属函数综合评价得出的△值为楸子大于平邑甜茶,平邑甜茶和楸子之间b值差异不明显.在适宜水分和重度干旱条件下楸子所体现出的输水策略优于平邑甜茶.PV曲线水分参数同苹果砧木根系的水力结构一样能够随着植物所处的环境做出相应的调整.对于PV曲线水分参数研究发现,楸子在膨压保持方面与平邑甜茶相比,其抗旱性优于平邑甜茶.     

高寒植物叶片性状对模拟降水变化的响应

降水变化对高寒草甸生态系统产生了显著影响,植物叶片性状特别是叶脉特征对降水变化非常敏感,然而高寒植物叶片性状特征如何响应降水变化还知之较少。采用集雨棚模拟增减50%降水的条件,以高寒草甸8种主要植物叶片为研究对象,研究了降水变化对叶片的叶脉率、叶脉密度、叶片大小、比叶质量、叶片总有机碳含量、叶片全氮含量、叶片碳同位素相对含量和碳氮比等叶片性状的影响。发现增水显著增加了植物的叶片大小、稳定碳同位素千分值、总有机碳含量、全氮含量,但显著降低了叶脉密度;而减水显著降低了叶片大小、稳定碳同位素千分值。植物叶片性状各指标对降水变化的响应存在协同变化和相互制约。不同水分生态类型的植物对降水变化的响应存在差异,中生植物通过增加叶片大小和减少叶脉密度积极应对降水的增加,矮生嵩草的叶片大小分别增加了200.3%,叶脉密度减小了17.5%,而旱中生植物通过减少叶片大小和增加叶脉密度应对降水的减少,垂穗披碱草和异针茅的叶片大小分别减少54.9%和30.7%,其叶脉密度分别增加25%和22.4%。羽状叶脉植物增加叶脉密度和稳定碳同位素千分值以适应增水条件,花苜蓿、异叶米口袋的叶脉密度的增加了7.8%和4.0%,稳定碳同位素千分值增加2.5%和3.3%,但增水条件下平行叶脉植物的叶脉密度不变或降低和稳定碳同位素千分值保持不变;减水增加了平行叶脉植物叶脉密度并减低了稳定碳同位素千分值,异针茅的叶脉密度增加了22.4%,稳定碳同位素千分值减小2.9%,而对羽状叶脉植物的叶脉密度和稳定碳同位素千分值减少或不变。植物叶片性状对增水的敏感性显著大于对减水的敏感性,增水的效应约为减水的2倍;叶片大小的敏感性显著大于其它叶片性状,约为其它叶片性状的10倍。因此,植物在应对短期降水变化时,植物形态可塑性的作用凸显,放大或缩小叶片大小是植物应对降水变化的最有效的途径,但是不同水分生态类型和叶脉类型植物可塑性的方向存在显著差异。     

风对黄花蒿水力学性状和生长的影响

吹风会影响到植物的水力学结构、光合作用、生物量分配以及植物的力学性状,研究风对植物的综合影响有助于深入了解植物应对风胁迫的响应机制。以黄花蒿为研究对象,每天吹风4h,风速为5m/s,吹风处理60d,测定了风吹条件下黄花蒿的水力学特征、光合作用、生物量分配和茎干力学特性。结果表明:在风吹条件下,黄花蒿正午水势显著低于对照,茎干导水损失率(PLC)增加了16%,最大光合速率仅为对照的62%,气孔导度为对照的55%。在试验结束时风吹植株株高仅为对照的68%,但基茎显著高于对照,同时风吹显著降低了黄花蒿的总生物量,但根冠比显著高于对照,风吹显著减小了茎导管直径和导管密度,风吹植物导管直径和导管密度分别为对照的77%和55%,同时,风吹植物茎干导水率显著低于对照,但茎干的抗弯刚度显著高于对照。以上结果表明风吹抑制了植物的水分输导能力,导致叶片水分匮缺,限制了植物的光合作用。风吹增加了茎干的力学稳定性,但同时降低了茎干的水分输导能力,这是植物茎在力学性状和水分输导之间的权衡。这种改变有利于在有风条件下维持植物的力学稳定性,但同时降低了水分输导能力。     

响应面法优化桑葚多糖的超声波辅助提取工艺条件

本研究利用响应面法优化桑葚多糖的超声波辅助提取工艺条件;选定提取温度、时间及水料比作为影响因素,以桑葚多糖提取率为评价指标,在单因素实验的基础上,通过3因素3水平Box-Behnken中心组合试验建立多糖提取率的二次多项式回归方程,研究超声提取时间、温度、水料比对桑葚多糖提取率的影响;结果显示最佳提取工艺条件为提取温度72℃、超声时间23.5 min、水料比27∶1(v∶m,mL/g),在该条件下多糖提取率预测值为17.80%,验证值为17.78±0.85%(n=3);此方法与传统水提取法相比具有省时、高效的优点,为桑葚多糖的后续研发提供实验基础。     

基于稳定氧同位素确定植物水分来源不同方法的比较

利用稳定同位素技术确定植物水分来源,对提高生态水文过程的认识和对干旱半干旱区的生态管理至关重要。目前基于稳定同位素技术确定植物水分来源的方法众多,但不同方法之间对比的研究较少。本研究基于原位样品采集,室内实验测试,利用直接对比法、多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)和吸水深度模型分析植物水分来源,并对比各方法的优缺点。结果表明:相对于多元线性混合模型(IsoSource)而言,贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)具有更好的水源区分性能,但对数据要求较高,且植物木质部水和潜在水源同位素组成的标准差越小,模型运行结果的可信度更高。本研究中贝叶斯混合模型(MixSIR)为最优解。在利用稳定氢氧同位素技术确定植物水分来源时,可先通过直接对比法定性判断植物可能利用的潜在水源,然后再用多元线性混合模型(IsoSource)、贝叶斯混合模型(MixSIR、MixSIAR)计算出各潜在水源对植物的贡献率和贡献范围,必要时可评估模型性能,选择出最优模型,定量分析植物的水分来源。若植物主要吸收利用不同土层深度的土壤水,可结合吸水深度模型计算出植物吸收土壤水的平均深度。本研究为干旱半干旱地区利用同位素技术确定植物水分来源方法的选择提供了理论依据。     

采用稳定碳同位素法分析白羊草在不同干旱胁迫下的水分利用效率

本研究以黄土高原乡土草种白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng.)为研究对象,采用盆栽控制实验,比较白羊草在3个水分处理(CK80%FC、MS60%FC和SS 40%FC)下的生物量积累和分配模式、瞬时水分利用效率(WUE)、不同部位(新叶、老叶、茎、细根、粗根)的稳定碳同位素组成(δ~(13)C)和碳同位素分辨率(Δ~(13)C)及其相互关系,以及干旱胁迫下影响水分利用效率的主导环境因子。结果表明:1)重度干旱胁迫显著降低植物整体生物量,显著增加根冠比和细根生物量比例;2)随着干旱胁迫加剧,白羊草各器官的δ~(13)C均呈上升趋势,Δ~(13)C呈减小趋势,SS处理不同器官δ~(13)C和Δ~(13)C没有显著差异,CK和MS处理的各器官δ~(13)C均值表现分别为细根粗根老叶新叶茎、细根新叶老叶粗根茎,CK和MS处理Δ~(13)C的值总体呈根叶茎。3)新叶的δ~(13)CNL和Δ~(13)CNL与WUE的相关系数均最大,说明利用稳定碳同位素方法测定白羊草水分利用效率具有可行性。4)不同水分处理的WUE的主导影响因子不同,CK、MS、SS水分处理WUE分别受到叶面温度、大气水汽压亏缺和空气温度的影响最大。为采用稳定碳同位素方法指示白羊草水分利用效率可行性及阐明植物的胁迫响应机制提供理论依据。     

稳定同位素在滨海湿地生态系统研究中的应用现状与前景

滨海湿地生态系统位于海陆交错地区,具有独特的生态系统特征、很高的服务功能和巨大的资源潜力,但同时也受到人为活动的严峻威胁.作为天然示踪物的稳定同位素为研究滨海湿地生态环境问题提供了重要手段.本文着重探讨了稳定同位素在滨海湿地动物食物源和食物网结构、滨海植物水分来源和利用效率、环境污染和生物入侵等全球变化对滨海湿地结构和功能的影响等方面的应用,指出了当前应用中存在的不足,如食物网研究中样品处理方式和富集度的确定,水分来源研究中水分抽提方法和仪器选择等,展望了稳定同位素在滨海湿地生态系统修复评价以及碳循环和温室气体排放研究中的应用前景.     

稳定碳同位素测定水分利用效率——以决明子为例

通过称重法和稳定碳同位素方法对盆栽决明子生长不同时期不同部位(根、茎、叶)的碳同位素组成(δ13C)、碳同位素分辨率(Δ)和水分利用效率(WUE)进行了研究,并分析了它们之间的相关关系,结果表明:决明子不同部位δ13C值表现为根茎叶,Δ为根茎叶,不同时期方差分析显示只有根部差异显著,茎叶的δ13C值、碳同位素分辨率分别与水分利用效率呈显著的正相关和负相关关系。称重法得出的WUE和不同部位(根、茎、叶)碳同位素测定的水分利用效率(WUER、WUES、WUEL)有显著正线性相关,其中与WUEL相关系数最大为0.86,与WUES、WUER的相关系数分别为0.80和0.82。说明利用稳定碳同位素方法测定决明子水分利用效率具有可行性,尤其是利用叶片测定的水分利用效率得到更为可靠的结果。     

稳定同位素在干旱区水分传输过程的研究进展

景观内部地下水-土壤-植物-大气界面的水分传输和不同景观界面间的水力联系是干旱区生态水文学研究的理论基础, 对提高认识不同景观格局水文连通性具有重要意义。鉴于干旱区水分循环的复杂性, 稳定同位素(δ2H、δ18O)在干旱区生态系统水分传输研究中广泛应用。综述了稳定同位素在干旱区植物/土壤-大气界面水分转换、植物根系-土壤界面水力联系与根系吸水过程和土壤水-地下水相互作用方面的研究。提出未来研究发展方向: 加强对干旱区非稳态条件蒸散发同位素量化; 优化不同生境植物根系吸水的同位素模型; 基于区域地下水-土壤-植被长时间序列同位素观测, 阐明干旱区不同景观界面间的水力连通性机制。     

碳稳定同位素技术在植物水分胁迫研究中的应用

植物体的碳稳定同位素组成主要由植物本身的生物学特性决定 ,但环境胁迫对其影响也十分明显。综述了碳稳定同位素技术在研究植物水分利用效率、生物量高低及判断历史气候依据等研究领域的进展 ,阐明了植物体的 δ1 3C值对干旱、盐分及其它环境因素的变化所引起的水分胁迫的响应 ,并对碳稳定同位素对水分胁迫的响应机理进行了归纳和推断     

基于控水试验的喀斯特出露基岩生境植物水分来源分析

裂隙发育的喀斯特出露基岩生境,虽无土层覆盖却能维持不同生活型植物的水分消耗.然而目前对该类生境植物的水分来源缺乏清晰认识.本研究以植物潜在水分来源相对简单的孤立出露基岩为例,聚焦遮雨(即剔除雨水对浅层水源的补给)1年后仍然生长旺盛的代表性植物种,同时以无遮雨处理样地(即始终接受降雨补给)的同种植物为对照,运用稳定性氢氧同位素技术,结合对植物水势的测定,综合分析了3种典型植物(落叶乔木菜豆树、落叶乔木紫弹树、常绿灌木四子海桐)的水分来源.结果表明: 在降水充沛的雨季,遮雨条件下3种植物均依赖与泉水同位素比率相近的深层水源,这是植物在遮雨1年后仍能正常生长的根本原因;遮雨菜豆树和四子海桐凌晨水势与自然植株无显著差异,表明植物未受水分胁迫,而紫弹树凌晨水势显著低于自然植株,表明其受一定程度的水分胁迫;自然条件下,3种植物茎水同位素比率均显著低于遮雨植株,且处于近期雨水同位素比率波动范围内,表明植物均依赖受近期雨水主导的浅层水源.遮雨和自然条件下,四子海桐正午水势与凌晨水势始终无明显差异,表现出较为保守的水分利用策略;另外2种植物正午水势显著低于凌晨水势,属于偏挥霍型水分利用策略.具备利用浅层和深层水源的能力是喀斯特无土覆盖出露基岩生境植物适应不同水分环境和维持多样化水分利用策略的关键.     

植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。     

植物样品中碳、硫稳定同位素的测试

稳定同位素在其形成过程中记录了各种生态环境信息。进行植物中稳定同位素的分析,有助于植物的水分生理生态、光合作用、污染生态以及全球变化中的生态学研究。本文简要介绍了植物样品中稳定同位素碳、硫的形成过程、测试意义、样品制备及分析技术,碳同位素样品制备中的真空一高温炉法是在已有的安瓶小样法基础上改进而来,更具可操作性。标样测试表明该法分析的结果基本符合标准值。硫同位素分析样品的制备,采用艾氏卡试剂制取ＢａＳＯ＿４,三酸还原法制取Ａｇ＿２Ｓ,然后在高温炉中燃烧生成ＳＯ＿２,在质谱仪上进行测定．